的作用下自由电子便飞出了电子枪外。调整VF可使灯丝工作在欠饱和点，电镜使用过程中可根据对亮度的需要调节栅偏压VG的大小来控制电子束流量的大小。
图1-4电子枪的工作原理
§1.3.2聚光镜
聚光镜处在电子枪的下方，一般由2～3级组成，从上至下依次称为第1、第2聚光镜（以C1和C2表示）。电镜中设置聚光镜的用途是将电子枪发射出来的电子束流会聚成亮度均匀且照射范围可调的光斑，投射在下面的样品上。C1和C2的结构相似，但极靴形状和工作电流不同，所以形成的磁场强度和用也不相同。C1为强磁场透镜，C2为弱磁场透镜，各级聚光镜组合在一起使用，可以调节照明束斑的直径大小，从而改变了照明亮度的强弱，在电镜操纵面板上一般都设有对应的调节旋扭。C1、C2的工作原理是通过改变聚光透镜线圈中的电流，来达到改变透镜所形成的磁场强度的变化，磁场强度的变化能使电子束的会聚点上下移动，在样品表面上电子束斑会聚得越小，能量越集中，亮度也越大；反之束斑发散，照射区域变大则亮度就减小。通过调整聚光镜电流来改变照明亮度的方法，实际上是一个间接的调整方法，亮度的最大值受到电子束流量的限制。
§1.4观察记录系统
§1.4.1观察室
透射电镜的最终成像结果，显现在观察室内的荧光屏上，观察室处于投影镜下，空间较大，开有1～3个铅玻璃窗，可供操作者从外部观察分析用。由于电
子束的成像波长太短，不能被人的眼睛直接观察，电镜中采用了涂有荧光物质的荧光屏板把接收到的电子影像转换成可见光的影像。观察者需要在荧光屏上对电子显微影像进行选区和聚焦等调整与观察分析。
荧光屏的中心部分为一直径约10cm的圆形活动荧光屏板，平放时与外周荧屏吻合，可以进行大面积观察。使用外部操纵手柄可将活动荧屏拉起，斜放在45°角位置，此时可用电镜置配的双目放大镜，在观察室外部通过玻璃窗来精确聚焦或细致分析影像结构，而活动荧光屏完全直立竖起时能让电子影像通过，照射在下面的感光胶片上进行曝光。
§1.4.1照相室
照相室处在镜筒的最下部，内有送片盒（用于储存未曝光底片）和接收盒（用于收存已曝光底片）及一套胶片传输机构。每张底片都由特制的一个不锈钢底片夹夹持，叠放在片盒内。工作时由输片机构相继有序地推放底片夹到荧光屏下方电子束成像的位置上。曝光控制有手控和自控两种方法，快门启动装置通常并联在活动荧光屏板的扳手柄上。电子束流的大小可由探测器检测，给操作者以曝光指示；或者应用全自动曝光模式由计算机控制，按程序选择曝光亮度和最佳曝光时间完成影像的拍摄记录。
§1.4.3阴极射线管显示器
电镜的操作面板上的CRT显示器主要用于电镜总体工作状态的显示、操作键盘的输入内容显示、计算机与操作者之间的人机对话交流提示以及电镜维修调整过程中的程序提示、故障警示等。
§1.5透射电子显微镜实例分析
当电镜以成像方式操作时，中间镜物平面与物镜像平面重合。荧光屏上显示样品中某一微区的放大图像。此时，如果在物镜像平面内插入一个孔径可变的选区光阑，让光阑孔只套住我们感兴趣的那个微区，那么光阑孔以外的成像电子束被挡住，只有进入光阑孔内那个微区的像进入中间镜和投影镜参与成像。然后，降低中间镜的激磁电流变为衍射操作，这时只有我们感兴趣的那个微物点散射的电子波可以通过选区光阑进入下面的透镜系统，荧光屏上所显示的只限于选区范
围内晶体所产生的衍射花样，从而实现了选区形貌观察与衍射的对应。选区电子衍射的操作步骤为（1）按成像操作得到清晰的图象。（2）加入选区光阑将感兴趣的区域围起来，调节中间镜电流使光阑边缘的像在荧光屏上清晰，这就使中间镜的物面与选区光阑的平面相重叠。（3）调整物镜电流使选区光阑内的像清晰，这就使物镜的像面与选区光阑及中间镜的物面相重，保证了选取区的准确。（4）抽出物镜光阑，减弱中间镜电流，使中间镜物平面上移到物镜背焦面处，这时在荧光屏上就会看到衍射花样的放大象。（5）减弱聚光镜电流以减小入射电子束的孔径角，得到更趋近平行的电子束，这样可以进一步减小焦斑尺寸。如图1-5所示为电子衍射斑点和衍射图谱。
图1-5电子衍射斑点和衍射图谱
第二章 扫描电子显微镜
扫描电子显微镜的制造依据是电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征X射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动（声子)、电子振荡（等离子体）。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理，采用不同的信息检测器，使选择检测得以实现。
实验中用到的设备是HELIOS NanoLab 600i-离子双束显微电镜。主要性能指标：二次电子像分辨率：0.9nm（kv），104nm(kv)；放大倍数：40-600000，加速电压：0.5kv-30kv；离子成像分辨率：4nm（30kv），加速电压：0.5kv-30kv。
主要配置及附件：ESD能谱仪、EBSD背散射电子衍射分析仪、微纳结构操作机械手、力学及电学性能测试附件。
§2.1扫描电镜的构造和工作原理
扫描电镜主要由电子光学系统、信号接收显示系统和真空系统三部分组成,此外还包括一些自动控制、自动补偿、图像处理等部件。其工作原理是:真空系统将镜筒抽成高真空,在高真空中电子枪热灯丝发射出电子,电子经高压加速后,通过磁透镜聚焦成只有几个埃到几十个埃的细小电子束(电子探针),电子束由于偏转线圈的作用,在样品表面作有规则的光栅扫描运动,并与样品物质相互作用,结果在样品上产生各种信号,如二次电子、背反射电子、俄歇电子、X射线、阴极发光、电动力、吸收电子和透射电子等，如图2-1所示。扫描电镜中成象的信号主要是二次电子,其次是背反射电子和吸收电子,因二次电子象的分辨率较高。样品产生的二次电子,被样品室中的检测器吸收并经放大系统放大,最后在荧光屏上显示出来,由于显象管中电子束和镜筒中电子束是同步扫描的,其亮度由样品激发的二次电子讯号强度调节,因而可以得到反映样品表面状况的扫描电子象,如用记录系统拍照,就可得到二次电子象的照片。如图2-2所示为为扫描电镜的结构和工作原理示意图。
图2-1入射电子与试样作用示意 图2-2扫描电镜的结构和工作原理示意图
§2.2电子光学系统
电子光学系统由电子枪和电磁透镜两部分组成，主要用于产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成像。
1.电子枪
电子枪用于产生电子，主要有两大类，共三种。一类是利用场致发射效应产生电子，称为场致发射电子枪。这种电子枪极其昂贵，在十万美元以上，且需要小于10-10torr的极高真空，但它具有至少1000小时以上的寿命，且不需要电磁透镜系统。
另一类则是利用热发射效应产生电子，有钨枪和六硼化镧枪两种。钨枪寿命在30～100小时之间，价格便宜，但成像不如其他两种明亮，常作为廉价或标准SEM配置。六硼化镧枪寿命介于场致发射电子枪与钨枪之间，为200～1000小时，价格约为钨枪的十倍，图像比钨枪明亮5～10倍，需要略高于钨枪的真空，一般在10-7torr以上；但比钨枪容易产生过度饱和和热激发问题。
2.电磁透镜
热发射电子需要电磁透镜来成束，所以在用热发射电子枪的SEM上，电磁透镜必不可少。通常会装配两组：（1）汇聚透镜：汇聚透镜用汇聚电子束，装配在真空柱中，位于电子枪之下。通常不止一个，并有一组汇聚光圈与之相配。但汇聚透镜仅仅用于汇聚电子束，与成像会焦无关。（2）物镜：物镜为真空柱中最下方的一个电磁透镜，它负责将电子束的焦点汇聚到样品表面。
§2.3信号接收显示系统
二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用闪烁计数器来进行检测。信号电子进入闪烁体后即引起电离，当离子和自由电子复合后就产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即又转化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。如前所述，由于镜筒中的电子束和显像管中电子束是同步扫描的，而荧光屏上每一点的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，因此样品上各点的状态各不相同，所以接受到的信号也不相同，于是就可以在显像管上看到一幅反映试样各点状态的扫描电子显微图像。
§2.4真空系统
真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。真空柱是一个密封的柱形容器。 真空泵用来在真空柱内产生真空，有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类。机械泵加油扩散泵的组合可以满足配置钨枪的SEM的真空要求，但对于装置了场致发射枪或六硼化镧枪的SEM，则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。成像系统和电子束系统均内置在真空柱中。真空柱底端即为右图所示的密封室，用于放置样品。之所以要用真空，主要基于以下两点原因：（1）电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM时需要用真空以外，平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。（2）为了增大电子的平均自由程，从而使得用于成像的电子更多。
§2.5应用分析
聚焦离子束据偶较大的质量，经加速聚焦后能够以很高的能量和较短的波长直接把图案转移到较硬的基体材料上，还可对材料和器件进行刻蚀、沉积等微纳米加工，开辟了从大块材料上制备微纳米器件及进行微纳米加工的新途径。可以进行二次电子形貌分析且图像分辨率极高、背散射电子衬度分析、EDS能谱分析。主要应用领域为：材料科学、纳米技术、生物医学、物理、化学、地质、机械加工、微电路质量检测、失效分析等领域。如图2-3为扫描电镜整体示意图，图2-4为扫描电镜采集的样品照片。
图2-3扫描电镜示意图 图2-4样品照片
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